声光双控节能电子开关.doc

摘要： 声光双控节能电子开关是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等场所，是现代极理想的新颖绿色照明开关，并延长灯泡使用寿命。由于本装置采用集成电路技术，故具有电路灵敏度高、制作方便、性能可靠、成本低和耗电省等优点。关键字：声光双控 节能 集成电路目录1 任务要求分析11.1 设计目的11.2 设计内容11.3 对课题的分析11.3.1声光控制的概念11.3.2 声光控制开关的控制方法11.3.3 声光控制开关的发展前景22 设计原理分析32.1 设计总体原理分析32.2 声控电路原理32.3 光控电路原理42.4 整流电路的原理52.5 降压滤波电路的原理62.6 CD4011芯片资料72.6.1 CD4011内部结构框图:72.6.2 CD4011功能及真值表:73 双控开关电路图及其工作原理93.1电路原理图93.2 声光双控开关运行原理93.3 夜晚工作模式仿真104 心得体会115 参考文献12附录13声光双控节能电子开关设计1 任务要求分析1.1 设计目的1.综合应用电子电路、模拟电子技术及数字电子技术、单片机原理及应用等本专业基础课程，针对特定对象进行综合设计；2掌握本专业设计电子电路专用软件PROTEL，熟悉从原理图设计到PCB设计，到最终电路板焊接制作的整个设计流程；3.掌握单片机编程语言，基于硬件系统设计应用软件。(若选择单片机实现整个系统，则需要掌握汇编或C语言程序设计)1.2 设计内容该电子开关白天不导通；晚上，一有声响便自动导通，且声音消除后仍能导通一段时间。保持导通的时间可在1-3min(分钟)内持续导通。该电子开关结合节能灯适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动，人走或休息后灯即熄灭。1.3 对课题的分析1.3.1声光控制的概念 声光控制指通过利用声音以及光线的变化来控制电路实现特定功能的一种电子学控制方法。声光控制延时开关主要由声控开关、光控开关、整流电路、延时电路、滤波电路几部分组成。1.3.2 声光控制开关的控制方法白天或光线较强时，电路为断开状态，灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，并且触发自动延时电路，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，尤其是上下楼道带来不便。1.3.3 声光控制开关的发展前景随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也将逐步更新，除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相当一段时期内，声光控制延时开关将是首选的主流产品。但在家庭走廊、宾馆等场所，声光控延时开关并不是很适用。2 设计原理分析2.1 设计总体原理分析声光控制延时开关主要由声控开关、光控开关、整流电路、延时电路、滤波电路几部分组成。声控是通过柱极体话筒采集声音，并产生脉冲信号。光控电路则是由光敏电阻控制，光敏电阻在有光和无光状态下电阻阻值差距很大，能产生高低电平及通过逻辑器件控制电路。延时电路则是由电阻和电容组成的充放电电路组成，通过电容的充放电来实现的。本设计的原理框图如图2-1所示。本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及负载电路6部分组成。声音信号控制门延时电路电子开关光信号照明灯图2-1 声光双控开关原理框图2.2 声控电路原理因为声音是个模拟量且非电信号无法在数字电路中使用，所以我们在设计声控电路时就面临怎样把模拟量转化为数字量，把声音信号转化为电信号的问题。要解决这个问题，我们可以设计一个接收设备专门用来接听声音信号并将声音信号转化为电信号传送到下一级电路。声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及 稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三 极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合 ，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。其工作原理图如下图2-2所示。由驻极话筒MIC、电阻R1、R2、R3、电容C1和三极管组成。当没有声音时，三极管工作在饱和状态，CD4011的下脚为低电平；当有声音时，声音信号经话筒MIC转换为电信号后经C1耦合至三极管放大，三极管由饱和进入放大状态，其集电极由低电平转变成高电平并送入集成电路CD4011的下脚。再配合光信号输入电路，达到控制灯泡亮灭的目的。图2-2 声音信号输入电路2.3 光控电路原理光控开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光（区分点）的亮度（或人为亮度）的大小所控制的。在光控电路的设计中不同于声控电路复杂的结构，光敏元器件在光照的情况下其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减小或增大，进而使电路导通或截止。利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，只要电信号强度达到一定程度将使电路导通工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。在设计时必须要考虑方案的可行性，稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实现，为此我设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。其工作原理图如下图2-3所示。图2-3 光信号输入电路2.4 整流电路的原理整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。整流电路应用最广的主要有单相半波整流电路，单相全波整流电路，单相桥式整流电路。而本次声光双控开关设计中采用了桥式整流电路，其工作原理图如下图2-4所示。图2-4单相桥式整流电路图2.5 降压滤波电路的原理整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。最基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。本次试验中采用电容滤波。电容C并联于稳压管D1的两端。在没有并入电容C之前，稳压二极管在正半周导通，负半周截止。并入电容之后，设接通电源，则当U由零逐渐增大时，二极管D1导通，除有一电流流向负载以外还有一电流向电容C充电，充电电压的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则可充到接近峰值U。在达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压也将由于放电而逐渐下降。当电压过小时时，D1因反偏而截止，于是C以一定的时间常数按指数规律放电，直到下一个正半周， D1又导通。如此下去，使输出电压的波形更平稳。显然比未并电容C前平滑多了。图2-5 降压滤波电路原理图2.6 CD4011芯片资料2.6.1 CD4011内部结构框图:图2-6 CD4011内部逻辑结构图2.6.2 CD4011功能及真值表:四2输入与非门CMOS芯片逻辑表达式：真值表XYQ动作00？禁止011设定100重置11不变无(1)当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第二列。 (2)当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为“1”，使得NAND-B的两个输入均为“1”，因此NAND-B的输出为“0”，如真值表第三列。 (3)当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为“1”，使得NAND-1的两个输入均为“1”，因此NAND-A的输出为“0”，如真值表第四列。 (4)当X=1、Y=1时，因为一个“1”不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第五列。3 双控开关电路图及其工作原理3.1电路原理图采用Protel仿真软件绘制电路原理图如下图3-1所示。图3-1 声光双控开关电路原理图3.2 声光双控开关运行原理设计要求电子开关控制灯泡白天不亮，只有在晚上且声音时才亮，并且可自动延时，因此可以看出，电子开关导通的一个必要条件是晚上，即光线不充足时，另一个必要条件是出现声响，所以可以分析得出要使电子开关电路导通需要满足的必要条件是光信号与声信号共同作用的结果。则设计电路的时候，将光信号做非门然后与声信号组成一个与门逻辑门即可控制开关的通断。同时，声音消除后仍能导通一段时间，这需要触发与延时电路，当电子开关电路触发导通后，由延时电路电路控制导通持续时间，并到时自动断开电路，这样才能起到自动控制。白天光线照射光敏电阻时，其阻值变得很小，CD4011的1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门U1的3脚输出的高电平经过门U2、U3、U4三次反相后成低电平，可控硅D7无触发信号不导通，灯不亮。夜晚，光敏电阻因无光线照射呈高阻，当有声音信号时，与非门U1的输入端1脚和2脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门U2反相输出高电平，通过隔离二极管D1给电容C2充电，当C2充电电压达到与非门U3的阈值电平时，使与非门U1输出高电平，通过R1触发可控硅D7使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。当声音消失后，与非门U1的输入端的2脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门U2输出为低电平，因D5的阻断作用，电容C2只能通过R7缓慢放电，经过大约20S下降到与非门U3的阈值电压以下，使与非门U4输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，白炽灯熄灭。3.3 夜晚工作模式仿真电路仿真结构图如3-1所示，仿真结果如图3-2：从结果来看，闭合开关的瞬间即有声音信号输入，灯泡发亮，再打开开关，会发现灯泡持续亮一段时间后熄灭。图3-2 夜晚有声工作仿真结果4 心得体会本次课程设计历时2周，在整个设计过程中，我不仅巩固了以前所学到的知识，更学到了许多课外的知识。通过这次的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。 通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发我学习书本的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。 作为一名学习电气工程及其自动化的学生，我们的梦想是成为一名电气工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了Protel在自动化应用中的基本使用方法。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。5 参考文献1 苏家健等，自动检测与转换技术M，电子工业出版社，2006年8月；2 陈尔绍等，实用光电控制电路精选M，电子工业出版社，1993年；3 霍亮生等，电子技术基础M，清华大学出版社，2006年5月；4 孙建设等，模拟电子技术M，化学工业出版社，2009年9月；5 黄盛兰等，电路基础M，北京大学出版社，2006年8月；6 刘木清，周小丽等，照明自动控制技术M，机械工业出版社，2007年10月；7史光国等，半导体发光二极管及固体照明M，科学出版社，2007年4月；8 船舶工业总公司七一三所编，常用电子电器元件手册M，中国标准出版社，1986年9月。附录序号器件名称主要参数及型号数量备注1电阻33K 1/4W1R12电阻180K 1/4W1R23电阻51K 1/4W1R34电阻1M 1/4W1R45电阻270K 1/4W1R5 R66电阻27K 1/4W1R77电阻2.2M 1/4W1R88电解电容100uF/25V1C19瓷片电容1041C210电解电容10uF/50V1C311集成芯片TC4011BP1U112可控硅MCR100-61SCR13三极管90141NPN14二极管1N41484D715二极管1N40071D3D616稳压二极管10V1D117驻极体话筒1MK袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅